Химическое уравнение - Chemical equation

А химическое уравнение является символическим представлением химическая реакция в виде символов и формул, при этом реагент объекты даны слева, а товар объекты в правой части.^[1] Коэффициенты рядом с символами и формулами сущностей представляют собой абсолютные значения стехиометрические числа. Первое химическое уравнение было составлено Жан Беген в 1615 г.^[2]

Формирование химической реакции

Химическое уравнение состоит из химические формулы реагентов (исходных веществ) и химической формулы продуктов (веществ, образующихся в химической реакции). Эти два разделены символ стрелки ( ${ displaystyle rightarrow}$ , обычно читается как «урожайность»), и химическая формула каждого отдельного вещества отделена от других знак плюс.

Например, уравнение реакции соляная кислота с натрий можно обозначить:

2 HCl + 2 Na → 2 NaCl + ЧАС
₂

Это уравнение будет читаться как «два HCl плюс два Na дают два NaCl и два H2». Но для уравнений, включающих сложные химические вещества, вместо того, чтобы читать букву и ее нижний индекс, химические формулы читаются с использованием Номенклатура ИЮПАК. Используя номенклатуру ИЮПАК, это уравнение будет читаться как «выход хлористоводородной кислоты плюс натрия. хлорид натрия и водород газ ".

Это уравнение показывает, что натрий и HCl реагируют с образованием NaCl и H₂. Это также указывает на то, что на каждые две молекулы соляной кислоты требуются две молекулы натрия, и в результате реакции будут образовываться две молекулы хлорида натрия и одна двухатомный молекула газообразного водорода на каждые две соляной кислоты и две молекулы натрия, которые вступают в реакцию. В стехиометрические коэффициенты (числа перед химическими формулами) являются результатом закон сохранения массы и закон сохранения заряда (дополнительную информацию см. в разделе «Уравновешивание химического уравнения» ниже).

Общие символы

Символы используются для различения различных типов реакций. Для обозначения типа реакции:^[1]

" ${ displaystyle =}$ "символ используется для обозначения стехиометрический связь.
" ${ displaystyle rightarrow}$ Символ "используется для обозначения чистой прямой реакции.
" ${ displaystyle rightleftarrows}$ Символ "используется для обозначения реакции в обоих направлениях.^[3]
" ${ displaystyle { ce {<=>}}}$ "символ используется для обозначения равновесие.^[4]

Физическое состояние химических веществ также очень часто указывается в скобках после химического символа, особенно для ионных реакций. При указании физического состояния (s) обозначает твердое тело, (l) обозначает жидкость, (g) обозначает газ и (aq) обозначает водный раствор.

Если реакция требует энергии, это указывается над стрелкой. Заглавная греческая буква дельта ( ${ displaystyle Delta}$ ^[5]) помещен на стрелку реакции, чтобы показать, что к реакции добавляется энергия в виде тепла. Выражение ${ displaystyle h nu}$ ^[6] используется как символ добавления энергии в виде света. Другие символы используются для других конкретных типов энергии или излучения.

Уравновешивание химических уравнений

Как видно из уравнения CH
₄ + 2 О
₂ → CO
₂ + 2 ЧАС
₂О, перед кислород газ на стороне реагентов и перед воды на стороне продуктов, чтобы в соответствии с законом сохранения массы количество каждого элемента не изменялось во время реакции

п₄О₁₀ + 6 ЧАС₂О → 4 ЧАС₃PO₄
Это химическое уравнение уравновешивается путем умножения H₃PO₄ на четыре, чтобы соответствовать количеству атомов P, а затем умножая H₂O на шесть, чтобы соответствовать количеству атомов H и O.

В закон сохранения массы диктует, что количество каждого элемент не меняется в химическая реакция. Таким образом, каждая сторона химического уравнения должна представлять одно и то же количество любого конкретного элемента. Точно так же заряд сохраняется в химическая реакция. Следовательно, одинаковый заряд должен присутствовать с обеих сторон сбалансированного уравнение.

Уравновешивают химическое уравнение, изменяя скалярное число для каждой химической формулы. Простые химические уравнения можно уравновесить путем проверки, то есть методом проб и ошибок. Другой метод предполагает решение система линейных уравнений.

Сбалансированные уравнения записываются с наименьшими целочисленными коэффициентами. Если перед химической формулой нет коэффициента, коэффициент равен 1.

Метод проверки можно описать следующим образом: поставить коэффициент 1 перед самой сложной химической формулой и поставить другие коэффициенты перед всем остальным, так что обе стороны стрелок имеют одинаковое количество каждого атома. Если есть дробный коэффициент существует, умножьте каждый коэффициент на наименьшее число, необходимое, чтобы сделать их целыми, обычно знаменатель дробного коэффициента для реакции с одним дробным коэффициентом.

В качестве примера, показанного на изображении выше, сжигание метана можно уравновесить, поставив коэффициент 1 перед CH.₄:

1 канал₄ + O₂ → CO₂ + H₂О

Поскольку с каждой стороны стрелки находится по одному углероду, первый атом (углерод) уравновешен.

Глядя на следующий атом (водород), в правой части два атома, а в левой - четыре. Чтобы уравновесить водород, 2 идет перед H₂O, что дает:

1 канал₄ + O₂ → CO₂ + 2 часа₂О

Проверка последнего уравновешиваемого атома (кислорода) показывает, что в правой части четыре атома, а в левой - два. Его можно уравновесить, поставив 2 перед O₂, что дает сбалансированное уравнение:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 часа₂О

Это уравнение не имеет коэффициентов перед CH₄ и CO₂, так как коэффициент 1 опущен.

Матричный метод

Как правило, любое химическое уравнение, включающее J разные молекулы можно записать как:

{ Displaystyle сумма _ {j = 1} ^ {J} nu _ {j} R_ {j} = 0}

куда р_j это символ j-й молекула, а ν_j - стехиометрический коэффициент для j-й молекула, положительная для продуктов, отрицательная для реагентов (или наоборот). Правильно сбалансированное химическое уравнение будет подчиняться:

{ displaystyle sum _ {j = 1} ^ {J} a_ {ij} nu _ {j} = 0}

где матрица состава а_ij это количество атомов элемента я в молекуле j. Любой вектор, который при оперировании матрицей композиции дает нулевой вектор, называется членом ядро или пустое пространство оператора. Любой член ν_j нулевого пространства а_ij будет служить для уравновешивания химического уравнения, включающего набор J молекулы, составляющие систему. «Предпочтительный» стехиометрический вектор - это такой вектор, все элементы которого могут быть преобразованы в целые числа без общих делителей путем умножения на подходящую константу.

Обычно матрица композиции является вырожденной: то есть не все ее строки будут линейно независимыми. Другими словами, классифицировать (J_р) матрицы композиции обычно меньше, чем количество столбцов (J). Посредством ничтожество теорема, нулевое пространство а_ij буду иметь J-J_р размеры и это число называется ничтожностью (J_N) из а_ij. Тогда проблема балансировки химического уравнения становится проблемой определения J_N-мерное нулевое пространство композиционной матрицы. Важно отметить, что только для J_N= 1, будет ли единственное решение. За J_N> 1 будет бесконечное количество решений проблемы балансировки, но только J_N из них будут независимыми: если J_N могут быть найдены независимые решения проблемы балансировки, тогда любое другое решение будет линейной комбинацией этих решений. Если J_N= 0, решения проблемы балансировки не будет.

Разработаны методики ^[7]^[8] быстро рассчитать набор J_N независимые решения проблемы балансировки и превосходят инспекционный и алгебраический методы в том, что они являются определяющими и дают все решения проблемы балансировки.

Ионные уравнения

Ионное уравнение - это химическое уравнение, в котором электролиты написаны как диссоциированные ионы. Ионные уравнения используются для Один и реакции двойного вытеснения что происходит в водный решения.

Например, в следующей реакции осаждения:

{ Displaystyle { ce {CaCl2 + 2AgNO3 -> Ca (NO3) 2 + 2 AgCl (v)}}}

полное ионное уравнение:

{ Displaystyle { ce {Ca ^ 2 + + 2Cl ^ - + 2Ag + + 2NO3 ^ - -> Ca ^ 2 + + 2NO3 ^ - + 2AgCl (v)}}}

или, со всеми включенными физическими состояниями:

{ displaystyle { ce {Ca ^ 2 + (aq) + 2Cl ^ - (aq) + 2Ag + (aq) + 2NO3 ^ {-} (aq) -> Ca ^ 2 + (aq) + 2NO3 ^ {-} (водн.) + 2AgCl (v)}}}

В этой реакции Ca²⁺ и НЕТ₃⁻ ионы остаются в растворе и не участвуют в реакции. То есть эти ионы идентичны как со стороны реагента, так и со стороны продукта в химическом уравнении. Поскольку такие ионы не участвуют в реакции, их называют ионы-зрители. А чистый ионный Уравнение - это полное ионное уравнение, из которого удалены ионы-наблюдатели.^[9] Итоговое ионное уравнение протекающих реакций:

{ Displaystyle { ce {2Cl ^ - + 2Ag + -> 2AgCl (v)}}}

или в уменьшенный уравновешенная форма,

{ Displaystyle { ce {Ag + + Cl ^ - -> AgCl (v)}}}

В нейтрализация или кислота /основание реакции, чистое ионное уравнение обычно будет:

ЧАС⁺(водн.) + ОН⁻(водный) → H₂О (л)

Существует несколько кислотно-основных реакций, которые приводят к образованию осадка в дополнение к молекуле воды, показанной выше. Примером может служить реакция гидроксид бария с фосфорная кислота, который производит не только воду, но и нерастворимую соль фосфат бария. В этой реакции нет ионов-наблюдателей, поэтому итоговое ионное уравнение такое же, как и полное ионное уравнение.

{ Displaystyle { ce {3Ba (OH) 2 + 2H3PO4 -> 6H2O + Ba3 (PO4) 2 (v)}}}

{ displaystyle { ce {{3Ba ^ {2} +} + {6OH ^ {-}} + {6H +}}} + underbrace { ce {2PO4 ^ {3} -}} _ { ce {фосфат }} { ce {-> {6H2O} + underbrace {Ba3 (PO4) 2 (v)} _ {барий ~ фосфат}}}}

Двойные реакции смещения, которые включают карбонат реакции с кислотой имеют чистое ионное уравнение:

{ displaystyle { ce {2H +}} + underbrace {{ ce {CO3 ^ 2-}}} _ {{ ce {карбонат}}} { ce {-> H2O + CO2 (^)}}}

Если каждый ион является «ионом-наблюдателем», то реакции не было, и итоговое ионное уравнение равно нулю.

Обычно, если z_j кратное элементарному заряду на j-й молекулы, зарядовая нейтральность может быть записана как:

{ displaystyle sum _ {j = 1} ^ {J} z_ {j} nu _ {j} = 0}

где ν_j - стехиометрические коэффициенты, описанные выше. В z_j может быть включен^[7]^[8]в качестве дополнительной строки в а_ij матрица, описанная выше, и правильно сбалансированное ионное уравнение также будет подчиняться:

{ displaystyle sum _ {j = 1} ^ {J} a_ {ij} nu _ {j} = 0}

Рекомендации

^ ^а ^б ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "уравнение химической реакции ". Дои:10.1351 / goldbook.C01034
^ Кросланд, М. (1959). «Использование диаграмм в качестве химических« уравнений »в лекциях Уильяма Каллена и Джозефа Блэка». Анналы науки. 15 (2): 75–90. Дои:10.1080/00033795900200088.
^ Обозначение ${ displaystyle rightleftarrows}$ был предложен в 1884 г. голландским химиком Якобус Хенрикус ван 'т Хофф. Видеть: ван 'т Хофф, Дж. (1884). Études de Dynamique Chemique [Исследования химической динамики] (На французском). Амстердам, Нидерланды: Frederik Muller & Co., стр. 4–5. Ван'т Хофф назвал реакции, которые не дошли до завершения, «ограниченными реакциями». Со стр. 4–5: «Или г-н Пфаундлер - relié ces deux phénomênes… s'accomplit en même temps dans deux sens opposés». (Теперь г-н Пфаундлер объединил эти два явления в единую концепцию, рассматривая наблюдаемый предел как результат двух противоположных реакций, приводящих в приведенном примере к образованию морской соли [например, NaCl] и азотной кислоты [ и] другой - соляной кислоте и нитрату натрия. Это соображение, которое подтверждается экспериментом, оправдывает выражение «химическое равновесие», которое используется для характеристики конечного состояния ограниченных реакций. Я бы предложил перевести это выражение следующим символом: HCl + NO₃ Na ${ displaystyle rightleftarrows}$ Нет₃ H + Cl Na. Таким образом, в данном случае я заменяю знак = в химическом уравнении знаком ${ displaystyle rightleftarrows}$ , что на самом деле не только выражает равенство, но и показывает направление реакции. Это ясно показывает, что химическое действие происходит одновременно в двух противоположных направлениях.)
^ Обозначение ${ displaystyle { ce {<=>}}}$ было предложено Хью Маршалл в 1902 г. См .: Маршалл, Хью (1902). «Предлагаемые модификации знака равенства для использования в химической нотации». Труды Королевского общества Эдинбурга. 24: 85–87. Дои:10.1017 / S0370164600007720.
^ Этот символ более правильно обозначить как простой треугольник (△), который изначально был алхимическим символом огня.
^ Этот символ происходит от уравнения Планка для энергии фотона, ${ Displaystyle Е = ч ню}$ . Иногда его ошибочно пишут с "v" ("vee") вместо греческой буквы ". ${ displaystyle nu}$ '("ню")
^ ^а ^б Торн, Лоуренс Р. (2010). "Инновационный подход к уравновешиванию уравнений химической реакции: упрощенный метод инверсии матрицы для определения нулевого пространства матрицы". Chem. Педагог. 15: 304–308. arXiv:1110.4321.
^ ^а ^б Холмс, Дилан (2015). «Понимание химического баланса нулевого пространства». Дилан Холмс. Получено 10 октября, 2017.
^ Джеймс Э. Брэди; Фредерик Сенезе; Нил Д. Джесперсен (14 декабря 2007 г.). Химия: материя и ее изменения. Джон Вили и сыновья. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355.

[goldbook-1] а ^б ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "уравнение химической реакции ". Дои:10.1351 / goldbook.C01034

[2] Кросланд, М. (1959). «Использование диаграмм в качестве химических« уравнений »в лекциях Уильяма Каллена и Джозефа Блэка». Анналы науки. 15 (2): 75–90. Дои:10.1080/00033795900200088.

[3] Обозначение ${ displaystyle rightleftarrows}$ был предложен в 1884 г. голландским химиком Якобус Хенрикус ван 'т Хофф. Видеть: ван 'т Хофф, Дж. (1884). Études de Dynamique Chemique [Исследования химической динамики] (На французском). Амстердам, Нидерланды: Frederik Muller & Co., стр. 4–5. Ван'т Хофф назвал реакции, которые не дошли до завершения, «ограниченными реакциями». Со стр. 4–5: «Или г-н Пфаундлер - relié ces deux phénomênes… s'accomplit en même temps dans deux sens opposés». (Теперь г-н Пфаундлер объединил эти два явления в единую концепцию, рассматривая наблюдаемый предел как результат двух противоположных реакций, приводящих в приведенном примере к образованию морской соли [например, NaCl] и азотной кислоты [ и] другой - соляной кислоте и нитрату натрия. Это соображение, которое подтверждается экспериментом, оправдывает выражение «химическое равновесие», которое используется для характеристики конечного состояния ограниченных реакций. Я бы предложил перевести это выражение следующим символом: HCl + NO₃ Na ${ displaystyle rightleftarrows}$ Нет₃ H + Cl Na. Таким образом, в данном случае я заменяю знак = в химическом уравнении знаком ${ displaystyle rightleftarrows}$ , что на самом деле не только выражает равенство, но и показывает направление реакции. Это ясно показывает, что химическое действие происходит одновременно в двух противоположных направлениях.)

[4] Обозначение ${ displaystyle { ce {<=>}}}$ было предложено Хью Маршалл в 1902 г. См .: Маршалл, Хью (1902). «Предлагаемые модификации знака равенства для использования в химической нотации». Труды Королевского общества Эдинбурга. 24: 85–87. Дои:10.1017 / S0370164600007720.

[5] Этот символ более правильно обозначить как простой треугольник (△), который изначально был алхимическим символом огня.

[6] Этот символ происходит от уравнения Планка для энергии фотона, ${ Displaystyle Е = ч ню}$ . Иногда его ошибочно пишут с "v" ("vee") вместо греческой буквы ". ${ displaystyle nu}$ '("ню")

[Thorne2010-7] а ^б Торн, Лоуренс Р. (2010). "Инновационный подход к уравновешиванию уравнений химической реакции: упрощенный метод инверсии матрицы для определения нулевого пространства матрицы". Chem. Педагог. 15: 304–308. arXiv:1110.4321.

[Holmes2015-8] а ^б Холмс, Дилан (2015). «Понимание химического баланса нулевого пространства». Дилан Холмс. Получено 10 октября, 2017.

[9] Джеймс Э. Брэди; Фредерик Сенезе; Нил Д. Джесперсен (14 декабря 2007 г.). Химия: материя и ее изменения. Джон Вили и сыновья. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]